JP2013064559A - Dual refrigeration cycle apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施の形態は、二元冷凍サイクル装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a binary refrigeration cycle apparatus.
空気調和機やヒートポンプ給湯機などの冷凍サイクル装置には、低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルを備えた二元冷凍サイクル装置がある。この二元冷凍サイクル装置は、単元冷凍サイクル装置に比べ、より高温の熱を供給できることが知られている。
二元冷凍サイクル装置の低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルは、それぞれ圧縮機や膨張装置を有し、高温側冷媒配管、低温側冷媒配管によりそれぞれ接続されている。そして、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルは、カスケード熱交換器によって熱交換可能に接続されている。
これにより、低温側冷凍サイクルによって汲み上げた熱を、高温側冷凍サイクルにより、さらに汲み上げて高温の熱として利用側機器に供給する。
Refrigeration cycle apparatuses such as air conditioners and heat pump water heaters include a dual refrigeration cycle apparatus including a low temperature side refrigeration cycle and a high temperature side refrigeration cycle. It is known that this binary refrigeration cycle apparatus can supply higher-temperature heat than a single refrigeration cycle apparatus.
The low temperature side refrigeration cycle and the high temperature side refrigeration cycle of the binary refrigeration cycle apparatus each have a compressor and an expansion device, and are connected by a high temperature side refrigerant pipe and a low temperature side refrigerant pipe, respectively. And the high temperature side refrigerating cycle and the low temperature side refrigerating cycle are connected by the cascade heat exchanger so that heat exchange is possible.
As a result, the heat pumped up by the low temperature side refrigeration cycle is further pumped up by the high temperature side refrigeration cycle and supplied to the use side device as high temperature heat.
上述した二元冷凍サイクル装置に用いられるカスケード熱交換器や利用側熱交換器及び熱源側熱交換器は、熱交換性能を確保するため体積や重量が大きいため、装置自体が大きくなり、設置面積も大きくなる傾向にある。さらに、一般的な二元冷凍サイクル装置は重量物であるカスケード熱交換器やその他の熱交換器を横並びに配置したものが知られている。
しかし、カスケード熱交換器やその他の熱交換器を横並びに配置する従来のものでは設置面積が大きく、狭い室内などへの設置が困難であった。
Cascade heat exchangers, use side heat exchangers, and heat source side heat exchangers used in the above-described two-stage refrigeration cycle apparatus are large in volume and weight to ensure heat exchange performance. Tend to be larger. Further, a general binary refrigeration cycle apparatus is known in which a cascade heat exchanger and other heat exchangers, which are heavy objects, are arranged side by side.
However, the conventional system in which cascade heat exchangers and other heat exchangers are arranged side by side has a large installation area and is difficult to install in a narrow room.
本実施形態に記載の二元冷凍サイクル装置は上記課題を解決するためになされたものであり、2つの圧縮機と、熱源側熱交換器と、カスケード熱交換器と、利用側熱交換器を有する二元冷凍サイクル装置において、カスケード熱交換器は、前記利用側熱交換器の上方に配置されている。 The two-stage refrigeration cycle apparatus described in the present embodiment is made to solve the above problems, and includes two compressors, a heat source side heat exchanger, a cascade heat exchanger, and a use side heat exchanger. In the binary refrigeration cycle apparatus having the cascade heat exchanger, the cascade heat exchanger is disposed above the use side heat exchanger.
図面を用いて本発明の実施形態について説明を行う。
(第1の実施形態)
第1の実施形態について図1及び図2を用いて説明する。
図1に示すように、本実施形態の二元冷凍サイクル装置100は、内部を低温側冷媒が流動する低温側冷凍サイクルaと、内部を高温側冷媒が流動する高温側冷凍サイクルbを有している。低温側冷凍サイクルaと高温側冷凍サイクルbは、低温側冷媒と高温側冷媒とを熱交換させるためのカスケード熱交換器5によって接続されている。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 1, a binary
低温側冷凍サイクルaは、低温側圧縮機1aと、低温側圧縮機1aに接続された低温側四方弁2aと、カスケード熱交換器5の低温側冷媒流路と、低温側膨張装置4aと、外部熱源である室外空気と熱交換する熱源側熱交換器3が、低温側冷媒配管6aにより順次接続されて構成されている。
熱源側熱交換器3には送風機11が設けられており、室外空気との熱交換を促進させるようになっている。
The low temperature side refrigeration cycle a includes a low temperature side compressor 1a, a low temperature side four-
The heat source
高温側冷凍サイクルbは、高温側圧縮機1bと、高温側圧縮機1bに接続された高温側四方弁2bと、カスケード熱交換器5の高温側冷媒流路と、高温側膨張装置4bと、利用側熱交換器7とが、順次高温側冷媒配管6bで接続されて構成されている。
利用側熱交換器7には、二元冷凍サイクル装置100によって汲み上げられた熱を利用する熱利用機器へ、熱を供給するための利用側配管18が接続されている。
利用側配管18内には熱利用機器へ、水やブラインなどの利用側流体が封入され、汲み上げられた熱を供給するようになっている。
利用側配管18内には送流ポンプ10によって送流される利用側流体が流動している。
The high temperature side refrigeration cycle b includes a high temperature side compressor 1b, a high temperature side four-
The use
In the
In the
低温側冷凍サイクルaと高温側冷凍サイクルbには、それぞれ特性の異なる冷媒が封入されている。
封入される冷媒の種類は二元冷凍サイクル装置100の用途によって異なるが、例えば、利用側熱交換器7を水熱交換器とし90℃近い高温の湯を生成するための高温ヒートポンプ給湯機である場合、低温側冷凍サイクルaに使用される低温側冷媒には、R410Aのような―15℃程度の低外気温においても良好な性能を有する冷媒が好ましく、高温側冷凍サイクルbに用いられる高温側冷媒にはR134aのような95℃程度の高温において良好な熱交換性能を有する冷媒が好ましい。
Refrigerants having different characteristics are sealed in the low temperature side refrigeration cycle a and the high temperature side refrigeration cycle b, respectively.
The type of refrigerant to be enclosed varies depending on the use of the binary
二元冷凍サイクル装置100には運転を制御するための電気部品箱22が備えられている。電気部品箱22には、運転制御手段である制御器23が設けられている。制御器23は、低温側圧縮機1a及び高温側圧縮機1bを駆動する図示しないインバータ回路の動作や、低温側膨張装置4a及び高温側膨張装置4bの開度や、低温側四方弁2a及び高温側四方弁2bの切替えを制御する。これらインバータ回路及び制御器23によって、低温側冷凍サイクルaと高温側冷凍サイクルbは最適な運転条件で運転される。
The dual
二元冷凍サイクル装置100の運転時の冷媒の流れを図1に実線矢印で示す。
低温側冷凍サイクルaと高温側冷凍サイクルbを運転すると、低温側冷凍サイクルaにおいて、低温側冷媒は、低温側圧縮機1aから低温側四方弁2a、カスケード熱交換器5の低温側流路、低温側膨張装置4a及び熱源側熱交換器3を順次通過し、低温側四方弁2aから低温側圧縮機1aへと戻る。
同様に高温側冷凍サイクルbにおいて、高温側圧縮機1bで圧縮された高温側冷媒が、高温側四方弁2b、利用側熱交換器7、高温側膨張装置4b及びカスケード熱交換器5の高温側流路を順次通過し、高温側四方弁2bから高温側圧縮機1bへと戻る。
このとき、低温側冷媒は熱源側熱交換器3で蒸発し、カスケード熱交換器5の低温側流路で凝縮する。また、高温側冷媒は、利用側熱交換器7において、利用側配管18内を流動する水等の利用側流体に温熱を供給しつつ凝縮する。そして、カスケード熱交換器5の高温側流路において、高温側膨張装置4bによって減圧された液状の高温側冷媒は蒸発し、蒸発熱として低温側冷媒の凝縮熱を吸収する。
The refrigerant flow during operation of the dual
When the low temperature side refrigeration cycle a and the high temperature side refrigeration cycle b are operated, in the low temperature side refrigeration cycle a, the low temperature side refrigerant flows from the low temperature side compressor 1a to the low temperature side four-
Similarly, in the high temperature side refrigeration cycle b, the high temperature side refrigerant compressed by the high temperature side compressor 1b is converted into the high temperature side of the high temperature side four-
At this time, the low temperature side refrigerant evaporates in the heat source
本実施形態の二元冷凍サイクル装置100は、図示しないが、内部に低温側冷凍サイクルa及び高温側冷凍サイクルbを収容した筐体を有している。
筐体内部には、図2に示すように、支持台20が備えられており、支持台20の上方にカスケード熱交換器5が配置されており、下方には利用側熱交換器7が支持台20の脚部に囲まれるようにして配置されている。
Although not shown, the binary
As shown in FIG. 2, a
利用側熱交換器7には、縦長方形状のプレート式熱交換器が用いられており、側面から高温側冷媒配管6bを接続可能なように配置されている。
カスケード熱交換器5は縦長長方形状のプレート式熱交換器であり、側面に2対の接続口を有している。この2対の接続口の内、一方の対には低温側冷凍サイクルaの低温側冷媒配管6aが接続されており、他方の対には高温側冷凍サイクルbの高温側冷媒配管6bが接続されている。高温側冷凍サイクルbの利用側熱交換器7と、カスケード熱交換器5を接続するための高温側膨張装置4bはパルスモータバルブであり、パルスモータ部分を上方とし、下方と側方の夫々に延出する配管部分を有する、略L字形状となっている。
The usage-
The
高温側膨張装置4bの下方に延出する配管部分には、高温側冷媒配管6bにより利用側熱交換器7と接続されており、側方に延出する配管部分には、高温側冷媒配管6bによりカスケード熱交換器5が接続されている。高温側冷媒配管6bの、高温側膨張装置4bとカスケード熱交換器5とを接続している部分は、曲げの無い直管状に形成された直管状部分9となっている。
このように、高温側膨張装置4bとカスケード熱交換器5が曲げの無い直管状部分9を介して接続されることにより、高温側膨張装置4bから吐出し撹拌された状態の気液二相冷媒が、配管の曲げに基因する遠心力等の影響を受けることなく、冷媒配管内を良好な気液分布状態で流動することができる。さらに、直管状部分9の長さは、重力の影響により内部を流動する冷媒の気相と液相が偏った状態とならないように、最適な長さに設定されるのが好ましい。
The pipe portion extending below the high temperature
In this way, the high-temperature
プレート式熱交換器であるカスケード熱交換器5は縦長の略長方形状であり、利用側熱交換器7の上方に縦長に配置することで、筐体の設置面積を低減でき、スペース効率の向上を図ることができる。
また、内部で2種類の冷媒が気液状態変化しつつ熱交換を行なうカスケード熱交換器に比べ、常時液体である利用側流体が流動する利用側熱交換器7は重量が重い。
利用側熱交換器7に接続される利用側配管18も、内部に利用側流体が流動するため重く、利用側熱交換器7が筐体の下方に配置されることで、装置全体の安定性とメンテナンス性が向上する。
Further, the use
The
上述のように、設置面積の大きなカスケード熱交換器5と利用側熱交換器7を縦に配置することで、装置全体の据付面積を抑えることができ、狭い室内等にも設置することができる。
さらに、カスケード熱交換器5内には、高温側冷媒又は低温側冷媒のみ流動するのに対して、利用側熱交換器7には利用側の用途により、水や洗浄剤など、不特定の様々な流体が用いられる。このため、利用側熱交換器7内部には、汚れの沈着や腐食の発生が起こり、定期的なメンテナンスを必要とするが、本実施形態のように、利用側熱交換器7をカスケード熱交換器5の下方に配置することで、利用側熱交換器7の着脱や、メンテナンスの作業性が良好となる。
さらに、高温側膨張装置4bとカスケード熱交換器5とを接続している高温側冷媒配管6bを、直管とすることで、高温側膨張装置4bからカスケード熱交換器5へ流動する冷媒の気相と液相が、良好な分流状態となる。これにより、カスケード熱交換器5内の高温側冷媒の蒸発温度と、低温側冷媒の凝縮温度の温度差が低減され、熱交換性能が良好となり二元冷凍サイクル装置100の成績係数(COP)が向上する。
As described above, by arranging the
Furthermore, while only the high-temperature side refrigerant or the low-temperature side refrigerant flows in the
Further, the high-temperature side
(第2の実施形態)
第2の実施形態について、図3を用いて説明する。尚、第1の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
本第2の実施形態では、高温側冷凍サイクルbの高温側膨張装置4bは、受液器11を介して利用側熱交換器7に接続されている。受液器11は略円筒形状のタンクであり、内部に高温側冷媒が貯留されるようになっている。また、この受液器11の高さは、支持台20の高さと略同一か、又はそれよりも低く形成されており、受液器11と高温側膨張装置4bとカスケード熱交換器5を接続している高温側冷媒配管6bは、湾曲することなく直管で形成されている。
高温側冷凍サイクルbの高温側冷媒の量が多く、受液器11が必要な場合に、上述のように、高温側冷媒管6bの高温側膨張装置4bと利用側熱交換器7の間に接続することで、設置面積を大きく必要とせず、スペース効率が良い。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIG. The description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.
In the second embodiment, the high temperature
When the amount of the high-temperature side refrigerant in the high-temperature side refrigeration cycle b is large and the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について、図4、図5、図6を用いて説明する。尚、第1の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
図4、図5に示すように、本第3の実施形態において、高温側冷凍サイクルbの高温側膨張装置4bは、過冷却熱交換器12を介して利用側熱交換器7に接続されている。
過冷却熱交換器12は、縦長円筒状に形成されており、内部に一次側流路12aと二次側流路12bを有している。過冷却熱交換器12の上端と下端には、高温側冷媒配管6bが接続されており、利用側熱交換器7と一次側流路12aと高温側膨張装置4bとが連通するように接続されている。
また、過冷却熱交換器12と高温側膨張装置4bが接続されている高温側冷媒配管6bの中途部から分岐した管には、膨張弁16が接続されている。この膨張弁16は、過冷却熱交換器12の上方側面に接続され、二次側流路12bと連通している。さらに、過冷却熱交換器12の下方側面からは、二次側流路12bと高温側圧縮機1bの圧縮機構部に接続されるためのインジェクション回路17が接続されている。
一次側流路12aから吐出された液状の高温側冷媒は、膨張弁16により減圧され気液二相冷媒となり、二次側流路12bに流動する。そして、一次側流路12a内を流動する冷媒を冷却し、インジェクション回路17から高温側圧縮機1bの圧縮機構部へと流動する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS. 4, 5, and 6. The description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.
As shown in FIGS. 4 and 5, in the third embodiment, the high temperature
The supercooling
An
The liquid high-temperature side refrigerant discharged from the primary
図6に第3の実施形態の二元冷凍サイクル装置100のP−h線図を示す。
lは高温側圧縮機1bの吸込み部、mは高温側凝縮器である利用側熱交換器7の高温側冷媒流路の入口部、cは利用側熱交換器7の高温側冷媒流路の出口部(インジェクション回路17の入口部)、dは過冷却熱交換器12の一次側流路12aの出口部、eはカスケード熱交換器5の高温側流路の入口部、fは過冷却熱交換器12の二次側流路12bの入口部、gは上記過冷却熱交換器12の二次側流路12bで蒸発した中間圧の冷媒が注入される高温側圧縮機1bの圧縮行程中の中間圧の圧縮室の冷媒の状態を表している。
FIG. 6 shows a Ph diagram of the binary
l is a suction portion of the high temperature side compressor 1b, m is an inlet portion of a high temperature side refrigerant flow path of the use
また、hは低温側圧縮機3の入口部、iはカスケード熱交換器5の低温側流路の入口部、jはカスケード熱交換器5の低温側流路5bの出口部、kは低温側蒸発器8の入口部の冷媒の状態を表している。
In addition, h is an inlet portion of the low
図6から明らかなように、過冷却熱交換器12の一次側流路12aの冷媒は、二次側流路12bの冷媒の蒸発潜熱(図2のΔh´)によって冷却され(図2のΔh)、過冷却度が増加する。また、インジェクション回路17に冷媒が分流される分だけ、高温側膨張装置4bに流れる液冷媒の量が減少して液冷媒の流速が低下して圧力損失が減少する。そのため、高温側膨張装置4bの入口部に流入する液冷媒にフラッシュガスが生じることを防止することができる。したがって、高温側膨張装置4bの制御性が低下したり、高温側膨張装置4bを大型化する必要がない。
As is apparent from FIG. 6, the refrigerant in the
さらに、二次側流路12bに分流される分だけ、カスケード熱交換器5へ流動する冷媒量が減少し、且つ、冷媒の乾き度が低下するため、カスケード熱交換器5の高温側冷凍サイクルb側流路内での二相冷媒の分流がさらに改善され高温側冷媒の蒸発温度と、低温側冷媒の凝縮温度の差が低減し、二元冷凍サイクル装置100の成績係数(COP)がさらに向上する。
また、高温側圧縮機1bが吸込み圧力からインジェクション回路17を介して供給される冷媒の圧力になるまで圧縮する冷媒量が減少するため、高温側圧縮機1bの仕事量が減少する。
なお、インジェクション回路17を介して高温側圧縮機1bの圧縮行程中の中間圧の圧縮室に注入される冷媒により、高温側圧縮機1bから吐出される冷媒の温度が若干低下するが、圧縮室に注入される冷媒の過熱度を制御することにより、抑制することができる。また、高温側圧縮機1bから吐出される冷媒量は減少しない。
Further, since the amount of refrigerant flowing to the
Further, since the amount of refrigerant compressed by the high temperature side compressor 1b from the suction pressure to the pressure of the refrigerant supplied through the
The refrigerant injected into the intermediate pressure compression chamber during the compression stroke of the high temperature side compressor 1b via the
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について、図7、図8を用いて説明する。尚、第1の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
本第4の実施形態では、高温側冷凍サイクルbの高温側膨張装置4bは、液ガス熱交換器13を介して利用側熱交換器7に接続されている。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. The description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.
In the fourth embodiment, the high temperature
ここで、高温側冷媒配管6bの、圧縮機1bと利用側熱交換器7と膨張装置4bを接続している区間を高圧側配管6baとし、膨張装置4bとカスケード熱交換器5と四方弁2bを接続している区間を低圧側配管6bbとすると、高圧側配管6ba内は、圧縮機1bの吐出圧力と同様の圧力となっており、低圧側配管6bb内は、膨張装置4bにより減圧された圧力となっている。液ガス熱交換器13は、高圧側配管6baの膨張装置4bと利用側熱交換器7の間の区間に接続された高圧側流路13aと、低圧側配管6bbのカスケード熱交換器5と高温側四方弁2bの間の区間に接続された低圧側流路13bを、熱交換可能に接合したものである。
ここで、低圧側配管6bbの膨張装置4bとカスケード熱交換器5とを接続している部分は、第1の実施形態同様に直間状部分9となっている。
なお、図8に示すように、液ガス熱交換器13の高圧側流路13aと低圧側流路13bは、上下方向へ直立した配管を平行に接合されて形成されている。また、カスケード熱交換器5の下方側に高温側膨張装置4bが配置され、さらに高温側膨張装置4bの下方側に利用側熱交換器7が配置されているため、液ガス熱交換器13は高温側膨張装置4bの下方で、高圧側流路13aが上方へ向かう流れで、低圧側流路13bが下方へ向かう流れである対交流となるように接続されている。
Here, a section of the high temperature side
Here, the portion connecting the
In addition, as shown in FIG. 8, the high-pressure
このように配置することにより、余分に湾曲した高温側冷媒配管を用いることなく、より省スペース化を行いつつ、良好な分流状態としより効果的な熱交換を行なうことができる。
尚、上記実施形態では液ガス熱交換器13は、2本の冷媒配管を平行に接合したものについて説明したが、上記実施形態に限らず、二重管熱交換器など、対向流となる種々の熱交換器を用いてよい。
By arranging in this way, a more effective heat exchange can be performed with a good diversion state while further saving space without using an excessively curved high temperature side refrigerant pipe.
In the above-described embodiment, the liquid
なお、第1乃至第4の実施形態において低温側圧縮機及び、高温側圧縮機は夫々四方弁を介して冷媒配管に接続されているが、四方弁を介さずに冷媒配管に接続されても良い。
また、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
In the first to fourth embodiments, the low-temperature side compressor and the high-temperature side compressor are each connected to the refrigerant pipe via the four-way valve, but may be connected to the refrigerant pipe without going through the four-way valve. good.
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments.
1a…低温側圧縮機、1b…高温側圧縮機、2a…低温側四方弁、2b…高温側四方弁、3…熱源側熱交換器、4a…低温側膨張装置、4b…高温側膨張装置、5…カスケード熱交換器、6a…低温側冷媒配管、6b…高温側冷媒配管、7…利用側熱交換器、9…直管状部分、10…送流ポンプ、11…受液器、12…過冷却熱交換器、13…液ガス熱交換器、16…膨張弁、17…インジェクション回路、18…利用側配管、20…支持台、22…電気部品箱、23…制御器、100…二元冷凍サイクル装置、a…低温側冷凍サイクル、b…高温側冷凍サイクル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... Low temperature side compressor, 1b ... High temperature side compressor, 2a ... Low temperature side four way valve, 2b ... High temperature side four way valve, 3 ... Heat source side heat exchanger, 4a ... Low temperature side expansion device, 4b ... High temperature side expansion device, DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記カスケード熱交換器と前記利用側熱交換器は、膨張装置を介して冷媒配管により接続されており、前記カスケード熱交換器は、前記利用側熱交換器の上方に配置されることを特徴とする二元冷凍サイクル装置。 In a two-stage refrigeration cycle apparatus having two compressors, a heat source side heat exchanger, a cascade heat exchanger, and a use side heat exchanger,
The cascade heat exchanger and the use side heat exchanger are connected by a refrigerant pipe through an expansion device, and the cascade heat exchanger is disposed above the use side heat exchanger. Dual refrigeration cycle equipment.
The dual refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein the use side heat exchanger and the expansion device are connected by a refrigerant pipe through a liquid gas heat exchanger.
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